把Bootloader玩出花

上面我所講的都是BL最基礎(chǔ)的一些內(nèi)容，是我們實(shí)現(xiàn)BL所必須了解的。BL真正的亮點(diǎn)在于多種多樣的固件數(shù)據(jù)獲取方式。

BL的實(shí)現(xiàn)與延伸（串口傳輸固件）

前面我講到過兩個(gè)BL應(yīng)用的實(shí)例，一個(gè)是串口傳輸固件文件，一個(gè)是SD卡拷貝固件文件。它們是在實(shí)際工程中經(jīng)常被用到的兩種BL形式。

這里著重對(duì)前一個(gè)實(shí)例的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行講解剖析，因?yàn)樗浅＞哂械湫鸵饬x，如圖

這個(gè)流程圖提出了3個(gè)問題：

串口通信協(xié)議是如何實(shí)現(xiàn)的？

為什么獲取到上位機(jī)傳來的固件數(shù)據(jù)，不是直接寫入到APP區(qū)，而是先暫存，還要校驗(yàn)？

對(duì)固件數(shù)據(jù)是如何實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)的？

第一個(gè)問題，串口通信協(xié)議以及文件傳輸實(shí)現(xiàn)的相關(guān)內(nèi)容略顯繁雜，在以后的文章會(huì)專門進(jìn)行講解。

第二個(gè)問題：經(jīng)過串口傳輸最終由單片機(jī)接收到的固件數(shù)據(jù)是可能出現(xiàn)差錯(cuò)的，而有錯(cuò)誤的固件冒然直接寫入到APP區(qū)，是一定運(yùn)行不起來的。所以，我們要對(duì)數(shù)據(jù)各幀進(jìn)行暫存，等全部傳輸完成后，對(duì)其進(jìn)行整體校驗(yàn)，以保證固件數(shù)據(jù)的絕對(duì)正確。

針對(duì)第三個(gè)問題，我們要著重探討一下。

一個(gè)文件從發(fā)送方傳輸?shù)浇邮辗剑绾未_定它是否存在錯(cuò)誤？

通常的做法在文件中加入校驗(yàn)碼，接收方對(duì)數(shù)據(jù)按照相同的校驗(yàn)碼計(jì)算方法計(jì)算得到校驗(yàn)碼，將之與文件中的校驗(yàn)碼進(jìn)行對(duì)比，一致則說明傳輸無誤，如圖。

上圖是對(duì)固件文件的補(bǔ)齊以及追加校驗(yàn)碼的示意。

為什么要對(duì)文件補(bǔ)齊？嵌入式程序經(jīng)過交叉編譯生成的可燒錄文件，比如 BIN，多數(shù)情況下都不是128、256、512或1024的整數(shù)倍。這就會(huì)導(dǎo)致在傳輸?shù)臅r(shí)候，最后一幀數(shù)據(jù)的長度不足整幀，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)尾巴。

取整補(bǔ)齊是解決數(shù)據(jù)尾巴最直接的方法。這一操作是在上位機(jī)上完成的，通常是編寫一個(gè)小軟件來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)小軟件同時(shí)會(huì)將校驗(yàn)碼追加到固件文件末尾。這個(gè)校驗(yàn)碼可以使用校驗(yàn)和（Checksum）或者 CRC，一般是 16 位或 32 位，如圖，通過一個(gè)小軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)固件文件補(bǔ)齊和添加校驗(yàn)碼。

又有人會(huì)問：“要把整個(gè)固件暫存下來，再作校驗(yàn)，那得需要額外的存儲(chǔ)空間吧，外擴(kuò)ROM（FlashROM或EEPROM）？”

是的。如果想節(jié)省成本，我們也可以不暫存，傳輸時(shí)直接燒寫到APP區(qū)。這是有風(fēng)險(xiǎn)的，但是一般來說問題不大（STC和STM32的串口ISP其實(shí)也都是實(shí)時(shí)燒寫，并不暫存）。

因?yàn)樵趥鬏數(shù)倪^程中，傳輸協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)的正確性是有一定保障的，它會(huì)對(duì)每一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，失敗的話會(huì)有重傳，連續(xù)失敗可能會(huì)直接終止傳輸。所以說，一般只要傳輸能夠完成，基本上數(shù)據(jù)正確性不會(huì)有問題。

但是，仍然建議對(duì)固件進(jìn)行整體校驗(yàn)，在成本允許的情況下適當(dāng)擴(kuò)大ROM容量。同時(shí)，固件暫存還有一個(gè)另外的好處，在APP區(qū)中的固件受到損壞的時(shí)候，比如固件意外丟失或IAP時(shí)不小心擦除了APP區(qū)，此時(shí)我們還可以從暫存固件恢復(fù)回來（完備的BL會(huì)包含固件恢復(fù)的功能）。

其實(shí)也不必非要外擴(kuò)ROM，如果固件體積比較小的話，我們可以把單片機(jī)的片上ROM砍成兩半來用，用后一半來作固件暫存。將片上ROM劃分為3部分：

我們將片上ROM劃分為3部分，分別用于存儲(chǔ) BL、APP 固件以及暫存固件。比如我們使用 STM32F103RBT6，它一共有128KB 的 ROM，可以劃分為 16K/56K/56K。

有些產(chǎn)品對(duì)成本極為敏感。我就有過這樣的開發(fā)經(jīng)歷，當(dāng)時(shí)使用的單片機(jī)是 STM32F103C8T6，片上ROM總?cè)萘繛?4K，固件大小為48K，BL為12K。在通過BL進(jìn)行固件燒寫時(shí)根本沒有多余的ROM進(jìn)行固件暫存。我使用了一招“狗尾續(xù)貂”，如圖

我無意中了解到 STM32F103C8T6 與 RBT6 的晶元是同一個(gè)。只是因?yàn)橛行?a href="http://www.1cnz.cn/v/tag/137/" target="_blank">芯片后 64KB 的ROM性能不佳或有瑕疵，而被限制使用了。我實(shí)際測(cè)試了一下，確實(shí)如此。

但是后 64K ROM 的使用是有前提的，也就是需要事先對(duì)其好壞進(jìn)行驗(yàn)證。如果是好的，則暫存校驗(yàn)，再寫入APP區(qū)；而如果是壞的，那么就直接在固件傳輸時(shí)實(shí)時(shí)寫入APP區(qū)（這個(gè)辦法我屢試不爽，還沒有發(fā)現(xiàn)后64K有壞的）。

以上振南所介紹的是一種“騷操作”，根本上還是有一定的風(fēng)險(xiǎn)的，ST 官方有聲明過，對(duì)后 64K ROM 的質(zhì)量不作保證，所以還是要慎用。

10米之內(nèi)隔空燒錄

這個(gè)“隔空燒錄”源于我的一個(gè) IoT 項(xiàng)目，它是對(duì)空調(diào)的外機(jī)進(jìn)行工況監(jiān)測(cè)。大家知道，空調(diào)外機(jī)的安裝那可不是一般人能干的，它要不就在樓頂，要不就在懸窗上。這給硬件升級(jí)嵌入式程序帶來很大的困難。

所以，我實(shí)現(xiàn)了“隔空燒錄”的功能，其實(shí)它就是串口BL應(yīng)用的一個(gè)延伸，如圖所示，通過藍(lán)牙串口模塊實(shí)現(xiàn)“隔空燒錄”。

“隔空燒錄確實(shí)牛，但是總要抱著一個(gè)電腦，這不太方便吧。”確實(shí)是！還記得前面我提過的AVRUBD通信協(xié)議嗎？它的上位機(jī)軟件是有手機(jī)版的。這樣我們只要有手機(jī)，就能“隔空燒錄”了，如圖，手機(jī)連接藍(lán)牙串口模塊實(shí)現(xiàn)“手機(jī)隔空燒錄”。

“哪個(gè)APP？快告訴我名字”，別急，藍(lán)牙串口助手安卓版，下圖是正在傳輸固件的界面。

AVRUBD其實(shí)是對(duì) Xmodem 協(xié)議的改進(jìn)，這個(gè)我們放在專門的文章進(jìn)行詳細(xì)講解。

BL的分散燒錄

我們知道BL的核心功能其實(shí)就是程序燒錄。那你有沒有遇到過比較復(fù)雜的情況，如圖所示，一個(gè)系統(tǒng)（產(chǎn)品）中有多個(gè)部件需要燒錄固件。

這種情況是有可能遇到的。主 MCU+CPLD+通信協(xié)處理器+采集協(xié)處理器就是典型的復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)。這種產(chǎn)品在批量生產(chǎn)階段，燒錄程序是非常繁瑣的。首先需要維護(hù)多個(gè)固件，再就是需要一個(gè)個(gè)給每一個(gè)部件進(jìn)行燒寫，燒寫方式可能還不盡相同。所以我引入了一個(gè)機(jī)制，叫“BL的分散燒錄”。

首先，我們將所有的固件拼裝成一個(gè)大固件(依次數(shù)據(jù)拼接)，并將這個(gè)大固件預(yù)先批量燒錄到外擴(kuò) ROM 中，比如spiFlash；再將主MCU預(yù)先燒錄好BL；然后進(jìn)行SMT焊接。

PCBA生產(chǎn)出來之后，只要一上測(cè)試工裝(首次上電)，BL會(huì)去外擴(kuò)ROM中讀取大固件，并從中分離出各個(gè)小固件，分別以相應(yīng)的接口燒錄到各個(gè)部件中去。配合工裝的測(cè)試命令，直接進(jìn)行自檢。

這樣做，批量化生產(chǎn)是非常高效的。當(dāng)然，這個(gè) BL 開發(fā)起來也會(huì)有一定難度，最大問題可能還是各個(gè)部件燒錄接口的實(shí)現(xiàn)（有些部件的燒錄協(xié)議是比較復(fù)雜的，比如 STM32 的 SWD 或者 ESP8266 的 SLIP）。

BL沒有最好的，只有最適合自己的。通常來說，我們并不會(huì)把BL設(shè)計(jì)得非常復(fù)雜，原則上它應(yīng)該盡量短小精煉，以便為APP區(qū)節(jié)省出更多的ROM空間。畢竟不能喧賓奪主，APP才是產(chǎn)品的主角。

不走尋常路的BL

Bootpatcher

我來問大家一個(gè)問題：“Bootloader在 ROM 中的位置一定是在 APP 區(qū)前面嗎？”很顯然不是，AVR 就是最好的例子。那如果我們限定是 STM32 呢？似乎是的。上電復(fù)位一定是從0X08000000位置開始運(yùn)行的，而且BL一定是先于APP運(yùn)行的。

在某些特殊的情況下，如果 APP 必須要放在0X08000000位置上的話，請(qǐng)問還有辦法實(shí)現(xiàn)BL串口燒錄嗎？要知道APP在運(yùn)行的時(shí)候，是不能 IAP 自己的程序存儲(chǔ)器的（就是自己能自己擦出重新燒錄新固件）。請(qǐng)看圖，BL位于APP之后稱之為Bootpatcher。

APP運(yùn)行時(shí)，想要重新燒錄自身，它可以直接跳轉(zhuǎn)到后面的BL上，BL運(yùn)行起來之后開始接收固件文件，暫存校驗(yàn)OK之后，將固件寫入到前面的APP區(qū)。然后跳轉(zhuǎn)到 0X08000000，或者直接重啟。這樣新的APP就運(yùn)行起來了。

這個(gè)位于 APP 后面的 BL，我們稱之為 Bootpatcher（意為啟動(dòng)補(bǔ)丁）。但是這種作法是有風(fēng)險(xiǎn)的，一旦 APP 區(qū)燒錄失敗，那產(chǎn)品就變磚了。所以這種方法一般不用。

APP反燒BL

前面我們都是在講BL燒錄APP，那如果BL需要升級(jí)怎么辦呢？用 JLINK。不錯(cuò)，不過有更直接的方法，如圖，APP燒錄BL區(qū)。

這是一種逆向思維，我們?cè)?APP 程序中也實(shí)現(xiàn)接收固件文件，暫存校驗(yàn)，然后將其燒錄到 BL 區(qū)。這種作法與Bootpatcher 同理，也是有一定風(fēng)險(xiǎn)的，但一般都沒有問題。

最后

OK，本系列文章對(duì)BL進(jìn)行了詳盡的剖析講解，應(yīng)該做到了深入淺出，包含基本的原理，以及實(shí)例的實(shí)現(xiàn)，還有一些知識(shí)的擴(kuò)展。希望能夠?qū)Υ蠹耶a(chǎn)生啟發(fā)，在實(shí)際的工作中將這些知識(shí)付諸實(shí)踐。

審核編輯：黃飛

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